Почему зарядные насосы используются только для слаботочных систем?

Обычно самыми дорогими (и труднодоступными) элементами в SMPS являются индукторы. Поэтому мне было интересно, можно ли использовать импульсные источники питания без индуктивности (т.е. зарядные насосы) для общих случаев использования, например, настольных источников питания, стационарных преобразователей постоянного тока высокой мощности (несколько ампер и несколько сотен ватт мощности). ), так далее.

Все конструкции зарядных насосов, которые я мог найти, были для приложений с низким энергопотреблением. Что мешает проектировать мощный источник питания без индуктивности? Существуют ли физические ограничения?

Есть две проблемы с вашей идеей. Один практический и один фундаментальный.

Практическая проблема заключается в том, что количество накопленных конденсаторов энергии дороже, чем индукторов, и, кроме того, конденсаторы с действительно большой емкостью (электролитические) стареют.

Основная проблема заключается в том, что зарядка конденсатора от источника напряжения в основном приводит к потерям (вы рассеиваете тепло). Это может показаться нелогичным, но, тем не менее, верно. (Был вопрос об этом некоторое время назад.) Следовательно, преобразователь напряжения с летающим конденсатором, даже идеальный, по своей сути неэффективен. (Идеальный преобразователь напряжения на основе индуктора эффективен на 100%.)

Вам может показаться странным, что мир несправедлив по отношению к конденсаторам, но это наша человеческая вина: мы поставляем энергию в основном от источников напряжения. Для источников тока верно обратное: идеальный преобразователь тока от летающих конденсаторов может быть эффективен на 100%, а один из индукторов обязательно должен иметь потери.

Конденсаторы были бы лучше, если бы источник и выход имели постоянный ток. Вы можете заряжать конденсатор до тех пор, пока напряжение не повысится до определенного уровня, а затем разрядить конденсатор до полного сопротивления нагрузки, чтобы поддерживать постоянный выходной ток. Вы бы использовали большой индуктор в качестве выходного фильтра для поддержания постоянного выходного тока.

Поскольку наши источники имеют постоянное напряжение, и мы обычно хотим постоянного выходного напряжения, использование индукторов для накопления энергии и конденсаторов для фильтрации имеет больше смысла.

Обратите внимание , что все эффективные поставки переключения имеют как конденсаторы и катушки индуктивности.

Да, зарядные насосы (летающий конденсатор) могут брать напряжение и перемещать его, переворачивать, даже умножать на целые числа и тому подобное, но каждый раз, когда вы заряжаете или разряжаете конденсатор через резистивный переключатель, вы теряете часть изменения энергии конденсатора в самом выключателе - большее изменение напряжения означает больше потерь. Переключатель с более низким сопротивлением просто означает, что энергия, потерянная при данном изменении напряжения, сжимается в меньший промежуток времени, а общая сумма остается постоянной.

Если два конденсатора или последовательные ряды конденсаторов с различными напряжениями соединены вместе, их заряды будут усредняться таким образом, чтобы уменьшить количество энергии, запасенной в них. Если они подключены с использованием индуктора, избыточная энергия будет передаваться этому индуктору и впоследствии может быть использована для какой-либо полезной цели. Если соединение чисто резистивное, энергия будет на 100% преобразована в тепло. Минимизация сопротивления не уменьшит потери энергии; это просто сократит время, необходимое для того, чтобы это произошло.

Следовательно, для того, чтобы зарядный насос был эффективным, конденсаторы должны быть достаточно большими, чтобы напряжение на них никогда не менялось очень сильно. В тех случаях, когда зарядному насосу не нужно передавать много энергии, можно использовать линейный регулятор на выходе и повысить напряжение настолько, чтобы при наихудших условиях пульсации выходное напряжение все еще оставалось достаточно высоким, чтобы поддерживать регулирование, но эффективность будет ограничено отношением напряжения нагрузки, умноженного на коэффициент усиления, к напряжению источника.

Есть несколько проблем с заправочными насосами.

1. они не могут предлагать регулирование эффективности и напряжения одновременно. Единственный способ отрегулировать выходное напряжение таким образом, чтобы оно оставалось постоянным во время изменений входного напряжения и изменений нагрузки, заключается в преднамеренной неэффективности.
2. Ток должен проходить через два переключающих элемента (диода или транзистора) как во время зарядки, так и при разряде частей цикла (тогда как в случае понижающего или повышающего преобразователя он должен проходить только через один переключающий элемент за раз).
3. Эффективность в значительной степени зависит от желаемого отношения входного и выходного напряжения. Если вы хотите создать, скажем, 1,5-кратный преобразователь напряжения, вам придется либо использовать какое-то сложное многоступенчатое устройство, либо создать 2-кратный преобразователь и запустить его в заведомо неэффективном режиме.